协作机器人在发动机总成线螺栓拧紧装配中的应用研究

宋卓希　李润泽　肖啸

摘 要：人机协作机器人具有成本低、安全性好、柔性高、精度高等优点，被逐步引入到传统的汽车制造领域，在提升制造效率的同时，大量节约人工成本。本文基于丹麦优傲人机协作机器人，设计了一种高效的发动机总成线螺栓的拧紧方案，并首次用于北京奔驰移动式发动机总成线，取代传统人工手持电动工具拧紧的模式，完成移动式发动机总成线的螺栓拧紧过程，实现了人与机器共享工作区域的人机协作生产方式。以较低的改造成本，降低了发动机总成线总体装配时间，提高了拧紧准确性，实现了生产效率和质量的全面提升。

关键词：移动式发动机总成线 协作机器人 自动拧紧 效率提升

Research on Application of Collaborative Robot in Bolt Tightening Assembly of Engine Assembly Line

Song Zhuoxi，Li Runze，Xiao Xiao

Abstract：Human-machine collaborative robots have the advantages of low cost， good safety， high flexibility， and high precision. They are gradually introduced into the traditional automobile manufacturing field， which can improve manufacturing efficiency and save labor costs. Based on the Danish Universal Robots man-machine collaborative robot， this paper designs an efficient bolt tightening scheme for the engine assembly line， and it is used for the Beijing Benz mobile engine assembly line for the first time， replacing the traditional manual hand-held power tool tightening mode to complete the movement. The bolt tightening process of the modular engine assembly line realizes the human-machine collaborative production method in which humans and machines share the working area. With a lower transformation cost， the overall assembly time of the engine assembly line has been reduced， and the tightening accuracy has been improved， and the overall improvement in production efficiency and quality has been achieved.

Key words：mobile engine assembly line， collaborative robot， automatic tightening， efficiency improvement

1 引言

流水作業模式是汽车行业主机厂总装车间的主流作业方式，这种作业方式的输送形式是不断移动的，无走停工位，导致90%左右的工艺操作为人工操作，自动化率相对于冲压、装焊、喷漆车间相对较低。比如总装车间的螺栓拧紧作业，基本都是人工手持拧紧工具进行拧紧的模式。

受到工人熟练程度和疲劳程度的影响，人工操作的效率和准确率波动很大，且常发生装配错误，而协作机器人因其安全性能好、运动可靠性高、可实现人机协作柔性生产等优点[1]，近些年开始进入总装领域，进行涂胶、螺栓拧紧、在线检测等作业[2]，提升了制造效率和质量，节约了企业的人力成本，提升了企业的竞争力[3]。

汽车行业主机厂总装车间工位有限，如果采用传统的大型工业机器人或其他自动化设备时，经常会占用整个甚至更多的工位，并且需要将整个区域用安全围栏围起来，生产柔性会有所下降，每当产品换型，需要大量的改造费用。关于螺栓拧紧，文献[4]中详细描述了传统大型的多轴拧紧设备与人机协作机器人进行螺栓拧紧的优缺点，并实现了发动机装配线不同机型前端盖2颗螺栓的自动拧紧。本文将人机协作机器人引入移动式总装车间发动机总成线进行螺栓自动拧紧，设计了一种高效的发动机总成线10颗螺栓的拧紧方案，实现了人与机器共享工作区域的人机协作生产方式，以较低的改造成本，降低了发动机总成线总体装配时间，提高了拧紧准确性。

2 发动机总成线传统的螺栓拧紧装配方法

由于拧紧位置和过程的复杂性，发动机总成线是一条传统的人工装配线，所有的拧紧操作都由人工完成，需要操作者手持电动拧紧工具对发电机到发动机、空调压缩机到发动机及变速箱到发动机的螺栓进行拧紧。

发电机到发动机拧紧点拧紧步骤：

第一步：顺序预拧紧第①、②颗螺栓到8Nm;第二步：顺序拧紧第①、②颗螺栓到20Nm。

空调压缩机到发动机拧紧点拧紧步骤：顺序拧紧第③到⑤颗螺栓到20Nm;

变速箱到发动机拧紧点拧紧步骤：顺序拧紧第⑥到⑩颗螺栓到38.5Nm;

这种传统的拧紧方式共需要56秒/车，包含取放拧紧工具、工具扫码选择拧紧程序、螺栓拧紧等三个过程。关于拧紧策略，在文献[5]中有详细阐述，本文不再赘述。

3 基于优傲10人机协作机器人的自动拧紧方案设计

3.1 硬件构成

在发动机总成线采用吊挂设备总成，通过机械定位搭载协作机器人，协作机器人夹持电动拧紧工具进行自动拧紧的方式，实现发动机、空调压缩机及变速箱共10颗螺栓的拧紧。机器人采用侧挂的方式，机器人布置方案应保证所有拧紧点的可达性。

3.2 机器人选型

由于目标拧紧点动态扭矩最大扭矩为38.5Nm，选择采用丹麦优傲人机协作机器人，机器人型号应采用优傲10，具体技术参数为：负载10Kg，工作半径1300mm，重复精度±0.03mm，重量28.9Kg，功率250Kw。

3.3 定位结构

3.3.1 设备与发动机随行

必须确保在自动拧紧过程中拧紧工具与发动机保持物理上精确随动，为此，设计两级随行结构，如下：

第一级：设备与发动机抱具初步随行。为了保证与发动机行走过程中的精确定位，设计了设备与发动机抱具夹紧结构，确保设备与发动机抱具进行初步随行，保证了后续夹紧的便利性。

第二级：机器人与已初步合装到发动机上的变速箱箱体进行机械定位和夹紧，将设备与发动机合为一体，确保在生产线移动过程中机器人和发动机位置相对精确定位。

当夹具上面的定位销对准变速箱上面的销孔（定位点），按下按钮后，变速箱夹紧气缸夹紧，变速箱侧面和后端夹紧点被夹紧，机器人可开始工作。

3.3.2 电动工具定位

在机器人第六轴末端采用机器人夹持电动拧紧工具的方式，安装电动拧紧工具的夹具，该夹具将机器人及拧紧工具固连在一起，无相对晃动量，确保工具设备整体相对固定，实现了螺栓的自动拧紧过程中拧紧工具和发动机位置相对静止，确保拧紧过程的一致性和稳定性。

3.4 电气系统结构

该设备应采用符合戴姆勒Integra 5标准的PLC对2套并行的系统进行控制，1是机器人及设备控制系统，2是拧紧控制系统。机器人及设备控制系统影响设备开动率，拧紧控制系统影响拧紧合格率，所以在系统设计阶段，既要对完成工艺要求的功能进行信息交互定义，又需要对两个系统的交互性和结果显示进行定义，以免相互干扰，造成无效的生产线停线或拧紧失败。

设备柱灯：在设备上显示机器人运行及设备状态的柱灯。功能：对机器人和设备运行状态进行监控，设备正常亮绿灯，如果机器人及定位设备故障红灯闪烁并声音报警，如机器人保护性停止、气缸未打开到位等都属于设备故障，通过此柱灯显示结果。

通过这两个柱灯显示，可实时监控此系统实际运行的状态，并即使采取相应措施。

3.5 人机协作机器人自动拧紧实现过程设计

基于所设计的设备硬件结构和电气拓扑结构，图2-4中10颗螺栓人机协作机器人自动拧紧实现步骤如下：

第一步：操作者将拧紧设备整体推至起点等待;第二步：人工按下按钮设备整体Y向伸出至设定位置;第三步：人工调整设备与发动机变速箱的相对位置，将设备推向变速箱并手动辅助后端销夹紧机构与变速箱尾销结合;第四步：当后段定位机构夹紧后，开关检测到位，其他夹紧机构自动夹紧到位;第五步：人工按下“夹紧完成”按钮，扫码设备自动扫码选择拧紧程序，夹持拧紧工具的机器人手臂根据机器人控制系统提前设置的轨迹顺序到达拧紧点位置，之后自动选择拧紧程序进行自动拧紧。第六步：机器人拧紧结束后自动回到起始位置，触发自动动作打开夹紧装置，确保设备与发动机及输送线完全脱离;第七步：操作者人工按下返回确认按钮，设备自动回到安装起点位置，自动拧紧完成。

4 效果与效益

通过实际的测试，该设备可以按照工艺图纸要求实现10颗螺栓自动拧紧，操作也十分简单方便，能够完美地替代人工手持电工工具拧紧，除去人工手动按按钮定位设备位置和手动按按钮退出的时间，节约工时共计46秒。

该设备自2020年4月投产以来，通过在线优化，自2020年6月起，设备开动率稳定到99.5%以上;拧紧合格率稳定在99.4%以上。数据表明，此设备稳定性好，且可以确保拧紧质量。

5 结语

与传统的人工手持工具拧紧方案对比，本文中描述的人机协作机器人在移动式发动机总成线上的自动拧紧方案，实现了人机共享一个工作区域协同工作，具有低成本高柔性的优势，达到了节约工作区域和操作时间的双重目的，提升了操作一致性，确保了产品质量。

本文设计的方案具有如下先进性：

（1）在不断移动的输送线中，保证了机器人与工作对象（如车身/移栽对象）的相对位置。

（2）实现了协作机器人与工具端的协同工作，在保证操作者安全的前提下能够与协作机器人共享工作空间，避免协作机器人占用过多空间或工位，快速处理协作机器人的保护性停止（即机器人碰撞检测后的自动停止）的故障，避免对产量及线速造成影响。

此方案的实施以較低的改造成本，在现有移动式发动机总成线上，实现了一种高效的发动机总成线螺栓的拧紧方案，具有良好的推广应用前景。

参考文献：

[1]人机协作机器人的探讨[J]. 刘志伟. 中国新技术新产品.2019（04）.

[2]人机协作机器人在汽车总装行业中的应用与发展[J].陈晓珊.精密制造与自动化.2020（03）.

[3]“工业4.0”环境下的人机协作机器人[J]. 铁隆正.电器工业，2015（08）.

[4]机器人螺栓拧紧技术在发动机装配的应用[J].肖海谭，健祥.装备制造技术.2015（09）.

[5]自动拧紧技术在汽车发电机装配方面的应用分析[J].谢东晓.内燃机与配件.2019，（17）.